JP2008215839A - 溶接品質判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接品質の良否の判定結果を定量的に、かつ自動的に取得でき、また種々の溶接品質の良否判定、特に浅い穴開き発生やワーク板部厚の減少も判定可能とする。
【解決手段】光切断法により溶接部及びその周辺部の表面座標を取得して溶接品質を判定する溶接品質判定方法であって、上記表面座標をデジタルデータで取得し（２０１）、取得された表面座標データ群から溶接部及びその周辺部の表面形状を近似するポリラインを作成する（２０２）。このポリラインに係る座標等の数値に基づき溶接部及びその周辺部をなす板部を各々抽出すると共に（２０３、２０６）、それらの各部を表す数値に基づき各種演算を行い（２０４、２０７、２０８，２１１〜２１３）、その結果から溶接品質を判定するようにした。溶接部及びその周辺部の表面座標を表すデジタルデータに基づき、各種演算を行って溶接品質の良否判定を行うことで、多種多様かつ高精細の溶接品質の判定を可能とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、アーク溶接等の溶接部及びその周辺部にシート状光（スリット光）を照射し、その反射光による光切断画像を得て溶接品質を判定する溶接品質判定方法に関するものである。

従来、この種の技術としては特許文献１に記載の方法があった。
これは、溶接部分に対してスリット光を照射し、その反射光による光切断画像から線画を得、この線画のつくる面積、線画の屈曲点の位置、線画の屈曲点間の線分の長さ、線画の連続性等から溶接品質の良否を判断するものである。

特開平６−９４６４０号公報

しかしながら上記従来技術では、光切断画像（線画）により溶接品質の良否を判断するものではあるが、その結果を定量的に取得できるものではなく、また、自動的に取得できるものではなかった。
更に、溶接部とワーク板部との境界が滑らかである場合には屈曲点の検出ができなくなり、屈曲点に基づく溶接品質の良否判定ができず、また浅い穴開きの検出が困難であった。加えて、溶接の結果、ワーク板部の板厚の減少が発生した場合（減肉発生時）に、その判定は著しく困難であった。

本発明の課題は、溶接品質の良否の判定の結果を定量的に、かつ自動的に取得できる溶接品質判定方法を提供することにある。
また本発明の課題は、溶接部とワーク板部との境界が滑らかである場合でも種々の溶接品質の良否判定ができ、また浅い穴開きの発生も判定でき、更に、ワーク板部の板厚の減少（減肉発生）を判定することもできる溶接品質判定方法を提供することにある。

上記課題は、溶接品質判定方法を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（３）項が請求項３に、（４）項が請求項４に、各々対応する。

（１）溶接部及びその周辺部の表面座標を光切断法により複数取得し、溶接品質を判定する溶接品質判定方法であって、前記表面座標をデジタルデータで取得し、取得された表面座標データ群を演算処理して溶接品質を判定することを特徴とする溶接品質判定方法。
溶接品質の良否の判定は、デジタルデータに基づき実行され、その結果は定量的、自動的に取得可能である。
（２）溶接部及びその周辺部の表面座標を光切断法により複数取得し、溶接品質を判定する溶接品質判定方法であって、前記表面座標をデジタルデータで取得し、取得された表面座標データ群から、前記溶接部及びその周辺部の表面形状を近似するポリラインを作成し、作成されたポリラインに基づき演算を行って溶接品質を判定することを特徴とする溶接品質判定方法。
（３）光切断法により溶接部及びその周辺部の表面座標を複数取得し、溶接品質を判定する溶接品質判定方法であって、前記表面座標をデジタルデータで取得し、取得された表面座標データ群から、前記溶接部及びその周辺部の表面形状を近似するポリラインを作成し、作成されたポリラインに基づき前記溶接部及びその周辺部をなすワーク板部を各々抽出すると共にそれらの各部を表す数値を用いた演算の結果から溶接品質を判定することを特徴とする溶接品質判定方法。
各部を表す数値には、例えば、ワーク板部の抽出計算値、溶接部の抽出計算値、溶接部及びその周辺部の各長さ、溶接部内のポリラインを形成する線分の折れ角度、ワーク板部延長直線と溶接部のポリラインを表す数値等がある。
（４）前記判定は良否の判定であり、不良と判定する場合には、前記溶接部及び／又はその周辺部をなすワーク板部を表す数値に基づきその不良の種類を判定することを特徴とする（３）項に記載の溶接品質判定方法。
不良の種類には、溶け落ち、未溶接、穴開き、溶接幅不足、板厚減少、溶接位置ずれ等の部位の発生が挙げられる。

本発明によれば、溶接品質の良否の判定の結果を定量的に、かつ自動的に取得できる溶接品質判定方法を提供できる。
また本発明によれば、溶接部とワーク板部との境界が滑らかである場合でも種々の溶接品質の良否判定ができ、また浅い穴開きの発生も判定でき、更に、ワーク板部の板厚の減少（減肉発生）を判定することもできる溶接品質判定方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明による溶接品質判定方法の実施に用いられる光切断法の説明図である。
この図において、１及び２は被溶接物であるワークであって、１ａ及び２ａはワーク１，２の溶接される板部（ワーク板部）である。３は溶接部、ここではアーク溶接によるビード部である。

本実施形態においては、溶接品質判定方法の実施において、溶接部３及びその周辺部（溶接部３を挟む一対の板部１ａ，２ａの溶接部３側部分）の縦断面の稜線の座標（以下、溶接部３及びその周辺部の表面座標、あるいは表面座標と記す。）の取得に光切断法を用いている。
ここで光切断法は、三角形状ないし扇状に広がる、シート状光、スリット光等と称される極薄い扁平の光を光源から被測定物に照射し、その反射光を光センサで受けて、上記光源の位置、光の投射角度、光センサの位置等から三角測量の原理により求められる光源−被測定物間の距離に基づき、その被測定物の表面座標を非接触で測定する場合等に用いられる手法である。
図示例においては、光源１１からのシート状光１２が溶接部３及びその周辺部に照射され、その反射光１３を、光センサを備えたＣＣＤカメラ１４で撮影し、その出力を演算処理装置１５に与える。そして、この演算処理装置１５がデジタルデータ化された多数の表面座標のデータ（表面座標データ群）に対して以下の処理を行い、所期の目的を達成する。つまり、溶接品質の良否の判定の結果を定量的に、かつ自動的に取得する。
取得された判定結果は、出力装置に出力、ここではディスプレイ装置１６に表示される。これに加えて、あるいはこれに代えて、判定結果をプリンタで印字、出力してもよい。
なお、上記表面座標のデジタルデータ化は、演算処理装置１５に前置するＡ／Ｄ変換器で行ってもよく、また演算処理装置１５内にＡ／Ｄ変換器を設け、このＡ／Ｄ変換器で行ってもよい。あるいは、ＣＣＤカメラ１４内にＡ／Ｄ変換器を設け、このＡ／Ｄ変換器で行ってもよい。

図２及び図３は、各々本発明方法による溶接品質判定処理手順の一例を示すフローチャートであり、図２に示すフローチャートと図３に示すフローチャートとは、接続端子α部分でつながる。
フローチャート中の演算（加減乗除等の算術演算や大小判断等の論理演算）や処理は、図１に示す演算処理装置１５が行う。

図２に示すように、ステップ２０１では、溶接部３及びその周辺部である板部１ａ，２ａの一部分の表面座標（縦断面：光切断面の稜線座標）を取得する。図４は、取得された表面座標群の一例を模式的に示す図である。この図４において、黒く塗りつぶされた小さな四角形が取得された個々の表面座標を表す。
なお、表面座標は３次元座標で取得してもよく、また、上記縦断面（光切断面）を２次元平面とする２次元座標で取得してもよい。溶接品質の判定は、通常、溶接部３つまりビード部の延出方向に沿って適宜間隔で多数箇所行われるので、その延出方向の位置も取得しておく必要から、ここでは３次元座標で取得している。いずれにしても、表面座標はデジタルデータで取得されるもので、以下、座標を座標データともいう。

次ステップ２０２では、ステップ２０１で取得された表面座標データ群から、溶接部３及びその周辺部の表面形状（稜線形状）を近似するポリラインＰＬを作成（表面座標データ群をポリライン化）する。
ここでは、図４中において隣接する一対の表面座標を結んで得られる線分同士を各々結んでポリラインＰＬを作成する。図５は、このステップ２０２により作成されたポリラインＰＬを示す。
なお、上記線分を形成する表面座標の間隔（光切断法による表面座標の測定間隔）が短いほど、精度の高い溶接品質の判定、特に後述する浅い穴開きの有無等の判定が行える。

ステップ２０３では、上記ポリラインＰＬから板部１ａ，２ａ（詳しくは板部１ａ，２ａに相当する線分部分。以下同じ。）を抽出する。
ここでは、１８０°から、ポリラインＰＬ上の隣接する一対の線分がなす角度（折れ角度）を引き算して得られる角度が許容値ｄ１以下である場合に、その線分は板部１ａ，２ａに含まれると規定し、許容値ｄ１以下である線分が連続する部分を板部（１ａ又は２ａ）と規定している。
許容値ｄ１としては、例えば１０°が選択される。つまり、隣接する一対の線分がなす角度が１７０°以上であれば、その線分は板部１ａ，２ａに含まれると規定している。
図６は、このステップ２０３により板部１ａ，２ａが抽出されたポリラインＰＬを示す。

ステップ２０４では、ステップ２０３による板部の抽出が２箇所未満か否かが判定される。判定結果がＹ（＝Ｙｅｓ。以下同様。）であれば、溶け落ち不良を発見した旨をディスプレイ装置１６に表示させ（ステップ２０５）、溶接品質判定処理を終了する。判定結果がＮ（＝Ｎｏ。以下同様。）であれば、処理をステップ２０６に移す。
溶接が正常であれば、板部はポリラインＰＬの両端側に一対、つまり２箇所、必ず抽出される。板部が２箇所未満、つまり１箇所又は０箇所であれば、本来あるべき他方又は両方の板部が溶接時の熱で欠損するという、溶け落ち不良があると判定できる。本ステップ２０４はこの判定を行い、溶け落ち不良がなければ（判定結果がＮであれば）、次の項目についての溶接品質判定処理を実行する。
図７は、溶け落ち不良があって、抽出された板部が１箇所（板部１ａ）のみである場合のポリラインＰＬを示す。また、図８に溶け落ち不良がある箇所（溶け落ち発生部）２１を例示する。

ステップ２０６では、上記ポリラインＰＬから溶接部３（詳しくは溶接部３に相当する線分部分。以下同じ。）を抽出する。ポリラインＰＬから板部１ａ，２ａを除いた部分（残存部分）を溶接部位３として抽出する。図９は、このステップ２０６により溶接部３が抽出されたポリラインＰＬを示す。

ステップ２０７では、ステップ２０６により溶接部３が抽出されなかったか否かが判定される。判定結果がＹ、つまり溶接部３が抽出されなかった（溶接部３がない）場合には、未溶接部位を発見した旨をディスプレイ装置１６に表示させ（ステップ２０９）、溶接品質判定処理を終了する。判定結果がＮであれば、処理をステップ２０８に移す。
図１０は、未溶接が生じて溶接部３が抽出されなかった場合のポリラインＰＬを示す。また、図１１に未溶接部位がある箇所（未溶接発生部）２２を例示する。

ステップ２０８では、ステップ２０６による溶接部（溶接部と見え得る部分）の抽出が２箇所以上あるか否かが判定される。判定結果がＹであれば、深い穴開きを発見した旨をディスプレイ装置１６に表示させ（ステップ２１０）、溶接品質判定処理を終了する。判定結果がＮであれば、処理をステップ２１１に移す。
溶接が正常であれば、溶接部はポリラインＰＬのほぼ中央部に１箇所抽出される。溶接部と見え得る部分（板部ではない箇所）が２箇所以上ある場合、つまり溶接部３が複数箇所に分断されている場合には、それら相互間に深い穴開きがあると判定できる。本ステップ２０８はこの判定を行い、深い穴開きがなければ（判定結果がＮであれば）、処理をステップ２１１に移す。
図１２は、深い穴開きがあって、溶接部と見え得る部分が２箇所ある場合のポリラインＰＬを示す。また、図１３に深い穴開きがある箇所（深い穴開き発生部）２３を例示する。

ステップ２１１では、溶接部３の端部（以下、溶接端部とも記す。）を抽出する。溶接部端部は、板部１ａ，２ａの溶接部３側の端部でもあり、ポリラインＰＬから抽出される。
次ステップ２１２では、溶接幅と溶接中心法線を算出する。ステップ２１１で抽出された溶接部３の一端部から他端部までの最短距離（直線の長さ）が溶接幅として算出される。溶接中心法線とは、溶接部３の各端部と溶接中心点（ここでは溶接部３のポリラインＰＬに沿った長さの中央位置）とを結んだ２つの線分がなす角を２等分する直線を指す。これらは、ポリラインＰＬ上の各座標を用いて算出される。
図１４は、溶接幅と溶接中心法線の説明図であり、（ａ）図はポリラインＰＬ全体を示し、この（ａ）図中の破線アで囲む溶接部３の部分拡大図が（ｂ）図である。この（ｂ）図に示すように、溶接部３の一端部ｔ１と他端部ｔ２とを結ぶ直線の長さ（ｔ１，ｔ２間の最短距離）が溶接幅ｗとして算出される。溶接中心法線ＮＬは、溶接端部ｔ１，ｔ２と溶接中心点Ｐ１とを結んだ２つの線分Ｌ１，Ｌ２がなす角を２等分して得られる。

ステップ２１２で溶接幅ｗと溶接中心法線ＮＬが算出されると、次のステップ２１３では、上記溶接幅ｗが許容値ｗ１以下か、つまり溶接幅不足が発生しているか否かが判定される。判定結果がＹであれば、溶接幅不足を発見した旨をディスプレイ装置１６に表示させ（ステップ２１４）、溶接品質判定処理を終了する。許容値ｗ１は所望の接合強度に基づき適宜選定される。
図１５は、溶接部３が許容値ｗ１以下の溶接幅ｗである場合のポリラインＰＬを示す。また、図１６に溶接幅不足がある箇所（幅不足発生部）２４を例示する。
ステップ２１３における判定結果がＮであれば、処理をステップ２１５（図３参照）に移す。なお、ステップ２１５以降の処理フローは図３に示す。

ステップ２１５では、溶接部３内のポリラインＰＬの折れ角度が不安定であるか否かが判定される。判定結果がＹであれば、浅い穴開きを発見した旨をディスプレイ装置１６に表示させ（ステップ２１６）、溶接品質判定処理を終了する。判定結果がＮであれば、処理をステップ２１７に移す。
溶接部３内のポリラインＰＬの折れ角度が不安定か否かは、折れ角度のばらつき状態、例えば折れ角度変化の標準偏差から判定される。図１７に例示する溶接部３内のポリラインＰＬの場合、折れ角度変化（ｂ−ａ）と（ｃ−ｂ）の標準偏差から判定される。
上記折れ角度のばらつきが大きけれぱ、溶接部３にブローホール等の浅い穴開きがあると判定できる。本ステップ２１５はこの判定を行い、浅い穴開きがなければ（判定結果がＮであれば）、処理をステップ２１７に移す。
図１８は、浅い穴開きがある場合の溶接部３内のポリラインＰＬの一例を拡大して示す。また、図１９に浅い穴開きがある箇所（浅い穴開き発生部）２５を例示する。

ステップ２１７では、溶接部３内のポリラインＰＬと板部１ａ，２ａの延長直線との間に交差が生じているか否かが判定される。判定結果がＹであれば、板厚（板部の厚み）減少部位を発見した旨をディスプレイ装置１６に表示させ（ステップ２１８）、溶接品質判定処理を終了する。判定結果がＮであれば、処理をステップ２１９に移す。
図２０は、板厚減少部位がない場合のポリラインＰＬを示し、図２１は板厚減少部位がある場合のポリラインＰＬを示す。図２１中の破線イで囲む領域内がポリラインＰＬと板部１ａ，２ａの延長直線Ｌ３，Ｌ４とに交差が生じている箇所を示す。また、図２２に板厚減少部位（減肉発生部）２６を例示する。

ステップ２１９では、２つの板部１ａ，２ａの延長直線Ｌ３，Ｌ４の交点（板部疑似交点）から、上記ステップ２１２で算出した溶接中心法線ＮＬまでの最短距離（直線の長さ）を算出する。
図２３は、上記板部疑似交点と溶接中心法線ＮＬまでの最短距離Ｌ５の説明図であり、（ａ）図はポリラインＰＬ全体を示し、この（ａ）図中の破線アで囲む溶接部３の部分拡大図が（ｂ）図である。この（ｂ）図において、Ｐ２が板部疑似交点、Ｌ５が板部疑似交点Ｐ２から溶接中心法線ＮＬまでの最短距離を示す。

ステップ２２０では、ステップ２１９で算出された最短距離Ｌ５が許容値ｄ２以下か、つまり溶接位置ずれが発生しているか否かが判定される。判定結果がＹであれば、溶接位置ずれを発見した旨をディスプレイ装置１６に表示させ（ステップ２２１）、溶接品質判定処理を終了する。許容値ｄ２は、例えばテストピースを用いた溶接実験に基づき適宜選定される。図２４に、溶接位置にずれがある箇所（位置ずれ発生部）２７を例示する。
ステップ２２０における判定結果がＮであれば、上述し、また図８、図１１、図１３、図１６、図１９、図２２及び図２４に例示した溶接品質不良の発生部が全くなく、品質良の溶接加工品（良品）である旨のメッセージをディスプレイ装置１６に表示させ（ステップ２２２）、溶接品質判定処理を完了する。

以上述べたように本実施形態では、光切断法により溶接部３及びその周辺部（溶接部３を挟む一対の板部１ａ，２ａの溶接部３側部分）の表面座標を複数取得して溶接品質（溶接部３及びその周辺部の溶接加工結果の質）を判定する溶接品質判定方法であって、表面座標をデジタルデータで取得し、取得された表面座標データ群から、溶接部３及びその周辺部の表面形状を近似するポリラインＰＬを作成する。
そして、このポリラインＰＬ（基本的にはポリラインＰＬの形状を表す数値つまり座標）に基づき溶接部３及びその周辺部をなす板部１ａ，２ａを各々抽出すると共にそれらの各部を表す数値に基づき各種演算を行い、その結果から溶接品質を判定するようにした。また、不良と判定する場合には、溶接部３及び／又はその周辺部をなす板部１ａ，２ａを表す数値に基づきその不良の種類を判定するようにした。
したがって本実施形態によれば、溶接品質の良否の判定結果を定量的に、かつ自動的に取得できる。また、溶接部３と板部１ａ，２ａとの境界が滑らかである場合でも種々の溶接品質の良否判定ができ、また浅い穴開きの発生も判定でき、更に、板部１ａ，２ａの板厚の減少（減肉発生）を判定することもできる。

本発明に係る溶接品質判定方法は、生産ラインにおける溶接加工条件の決定の準備段階（溶接加工品の試作段階）に適用して、あるいは生産ラインにおける溶接不良発生の早期発見に適用して、大なる効果がある。

本発明による溶接品質判定方法の実施に用いられる光切断法の説明図である。 本発明方法による溶接品質判定処理手順の一例を示すフローチャート（その１）である。 同じく溶接品質判定処理手順の一例を示すフローチャート（その２）である。 図３中のステップ２０１で取得された表面座標群の一例を模式的に示す図である。 同上ステップ２０２により作成されたポリラインを示す図である。 同上ステップ２０３により板部が抽出されたポリラインを示す図である。 溶け落ち不良がある場合のポリラインを示す図である。 溶け落ち発生部を例示する図である。 図３中のステップ２０６により溶接部が抽出されたポリラインを示す図である。 未溶接部がある場合のポリラインを示す図である。 未溶接発生部を例示する図である。 深い穴開きがある場合のポリラインを示す図である。 深い穴開き発生部を例示する図である。 溶接幅と溶接中心法線の説明図である。 溶接部が許容値以下の溶接幅である場合のポリラインを示す図である。 幅不足発生部を例示する図である。 溶接部内のポリラインの折れ角度が不安定か否かの判定手法の説明図である。 浅い穴開きがある場合の溶接部内のポリラインの一例を拡大して示す図である。 浅い穴開き発生部を例示する図である。 板厚減少部位がない場合のポリラインを示す図である。 板厚減少部位がある場合のポリラインを示す図である。 板厚減少部位を例示する図である。 位置ずれ発生部の判定に用いられる板部疑似交点と溶接中心法線までの最短距離の説明図である。 位置ずれ発生部を例示する図である。

符号の説明

１，２：ワーク、１ａ，２ａ：板部（ワーク板部）、３：溶接部、１１：光源、１２：シート状光、１３：反射光、１４：ＣＣＤカメラ、１５：演算処理装置、１６：ディスプレイ装置、２０１：溶接部及びその周辺部の表面座標取得ステップ、２０２：ポリライン化ステップ、２０３：板部抽出ステップ、２０４：溶け落ち不良判定ステップ、２０６：溶接部抽出ステップ、２０７：未溶接部位判定ステップ、２０８：深い穴開き判定ステップ、２１３：溶接幅不足判定ステップ、２１５：浅い穴開き判定ステップ、２１７：板厚減少部位判定ステップ、２２０：溶接位置ずれ判定ステップ。

Claims (4)

1. 溶接部及びその周辺部の表面座標を光切断法により複数取得し、溶接品質を判定する溶接品質判定方法であって、
   前記表面座標をデジタルデータで取得し、取得された表面座標データ群を演算処理して溶接品質を判定することを特徴とする溶接品質判定方法。
2. 溶接部及びその周辺部の表面座標を光切断法により複数取得し、溶接品質を判定する溶接品質判定方法であって、
   前記表面座標をデジタルデータで取得し、取得された表面座標データ群から、前記溶接部及びその周辺部の表面形状を近似するポリラインを作成し、
   作成されたポリラインに基づき演算を行って溶接品質を判定することを特徴とする溶接品質判定方法。
3. 光切断法により溶接部及びその周辺部の表面座標を複数取得し、溶接品質を判定する溶接品質判定方法であって、
   前記表面座標をデジタルデータで取得し、取得された表面座標データ群から、前記溶接部及びその周辺部の表面形状を近似するポリラインを作成し、
   作成されたポリラインに基づき前記溶接部及びその周辺部をなすワーク板部を各々抽出すると共にそれらの各部を表す数値を用いた演算の結果から溶接品質を判定することを特徴とする溶接品質判定方法。
4. 前記判定は良否の判定であり、不良と判定する場合には、前記溶接部及び／又はその周辺部をなすワーク板部を表す数値に基づきその不良の種類を判定することを特徴とする請求項３に記載の溶接品質判定方法。
   

Images